Langfristbewirtschaftungsmodell WBalMo GLO WA-Elbe; Überblick und ausgewählte Ergebnisse für das deutsche Einzugsgebiet Michael Kaltofen, Ottfried Dietrich, Martina Hentschel, Stefan Kaden, Hagen Koch, Kai Mazur, Michael Redetzky, Susanne Schweigert 1 Einleitung Die langfristige wasserwirtschaftliche Planung betrachtet die Bilanz zwischen den interessierenden Wassernutzungen und dem natürlichen, anthropogen unbeeinflussten Wasserdargebot unter Berücksichtigung der Wasserbewirtschaftung. Sowohl Wassernutzungen als auch Wasserdargebot können sich unter den Bedingungen des globalen Wandels infolge - des Klimawandels, - der regionalen Wirtschafts- und Bevölkerungsentwicklung und - der Umweltorientierung sektoraler Politiken (wie Energie- und Verkehrspolitik) verändern. Die Analyse der Risiken für die Wassernutzungen erfordert daher den Einsatz mehrerer Modelle, die die Eingangsdaten für die Modellierung der Langfristbewirtschaftung bereitstellen und die Ergebnisse analysieren: - Modelle zur Regionalisierung der klimatischen und sozioökonomischen Aspekte des globalen Wandels sowie zur Beschreibung des technologischen Wandels im Bereich der Wassernutzungen (z. B. Klimamodell), - Modelle zur Simulation der Landnutzung, des Wasserhaushalts und des natürlichen, anthropogen unbeeinflussten Abflusses (z. B. ökohydrologisches Modell), - Modelle zur Berechnung des Wasserbedarfs verschiedener Wirtschaftsbereiche (z. B. Kraftwerksmodell), - Modelle zur sozioökonomischen Bewertung von Szenarien auf der Basis von Wassermengenindikatoren. Ein derartiger Modellverbund wurde in dem BMBF-Projekt GLO WA-Elbe für das gesamte Einzugsgebiet der Elbe entwickelt. Er wurde für Analysen in Bezug auf eines der Hauptkonfliktfelder in GLOWA-Elbe, der Oberflächenwasserverfügbarkeit, genutzt. Die zentrale Frage bestand darin, welche wasserwirtschaftlichen Effekte in Szenarien des globalen Wandels auftreten und wie Bewirtschaftungsalternativen zur Bewältigung der resultierenden oder sich verstärkenden Konflikte wirken. Dafür war die detaillierte Modellierung der Wassernut-
Bundesanstalt fiir zungs- und Bewirtschaftungsprozesse im Elbegebiet, einschließlich des tschechischen Teils mit bedeutenden Speicherräumen, vorzunehmen. Der nachfolgende Beitrag beschreibt den Aufbau des wasserwirtschaftlichen Modells und die verwendeten Daten und geht auf die erzielten Ergebnisse ein. 2 Modelle und Daten 2.1 Datengrundlagen Die Modellierung der wasserwirtschaftlichen Bilanz wurde mit der Simulationssoftware WBalMo (DHI-WASY) vorgenommen, siehe hierzu den Beitrag von KADEN et al. in diesem Heft (S. 5ff.). Die Ausgangslage für den Aufbau des WBalMo GLOWA-Elbe war in den Hauptnebenflüssen unterschiedlich. Für Havel, Spree und Schwarze Elster liegen WBalMo-Modelle vor, die weitgehend für die Fragestellungen von GLOWA-Elbe geeignet sind. Für die Saale und ihre Nebenflüsse lagen Bewirtschaftungsmodelle mit unterschiedlicher Aktualität und Kompatibilität zur WBalMo-Simulationssoftware vor. Für alle anderen Gebiete konnten keine Modelle genutzt werden (vgl. Abb. 1). Abb. 1: Struktur des WBalMo Elbe
Die Aktualisierung bzw. der Aufbau der Teilmodelle erforderte die Beschaffung und modellgerechte Aufarbeitung einer sehr großen Menge von Wassernutzungsdaten. Sie umfassen vor allem Wasserentnahmen der Industrie und Landwirtschaft einschließlich der Binnenfischerei, zur Trinkwassergewinnung und Tagebauseeflutung, kommunale und industrielle Direkteinleitungen sowie Wassernutzungen zur Stromerzeugung in Kleinkraftwerken. Dazu kommt die Bewirtschaftung der Wasserressourcen durch Talsperren, Speicher, Überleitungen und durch Pumpwerke vor allem für die Schifffahrt. Sie wurden direkt von den Wasserbehörden sowie von der Flussgebietsgemeinschaft Elbe (im Rahmen der B-Berichte zur EG-Wasserrahmenrichtlinie erfasste signifikante Entnahmen und Einleitungen) bereitgestellt. Diese Daten sind für jeden Koordinierungsraum (mehrere Flussgebiete) von den Wasserbehörden homogen erfasst worden. Zwischen den Koordinierungsräumen sind Unterschiede hinsichtlich der Erfassung von Wasserrechten bzw. mittleren Nutzungsdaten bestimmter Zeiträume sowie ihrer Aktualität festzustellen. Gleiches trifft für die in bereits vorliegenden WBalMo-Modulen vorhandenen Daten zu. Eine Homogenisierung der Daten konnte aus Aufwandsgründen nicht vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang ist aber zu beachten, dass für einen bedeutenden Teil der Wasserentnahmen und Durchflussforderungen Bedarfsfunktionen wirksam werden, die Werte entsprechend der regionalen Wirtschafts- und Bevölkerungsentwicklung und der Umweltorientierung sektoraler Politiken vorgeben. Bundesanstalt fiir 2.2 Umsetzung der Daten in das WBalMo GLOWA-Elbe Alle vorhandenen Daten wurden zusammengefasst und für die Darstellung im GIS zusammen mit dem Fließgewässernetz aufbereitet. Auf dieser Basis konnte die Systemstruktur der Bewirtschaftungsmodelle in den Teileinzugsgebieten festgelegt werden. Dafür wurden in Abhängigkeit von Lage, Bedeutung und Anzahl der Wassernutzungen Bilanzquerschnitte im Fließgewässersystem festgelegt. Damit konnten die Angaben zum Fließgewässersystem, den Bilanzprofilen und den Wassernutzungsdaten in die WBalMo-Modelldatenbanken eingegeben werden. Zur Bewirtschaftung der Talsperren wurden für die meisten Talsperren Dispatcherpläne übergeben, deren Vorgaben ebenfalls mit den WBalMo-Modellobjekten umgesetzt wurden. Ein weiterer Aspekt des WBalMo Elbe besteht in der Simulation des natürlichen Wasserdargebotes, die in der Regel extern vorgenommen wird. In GLOWA-Elbe wird hierzu das Modell SWIM des PIK Potsdam genutzt (HATTERMANN et al. 2005). Um für WBalMo Elbe die Abflüsse an den festgelegten Bilanzprofilen bereitzustellen, muss die hydrologische Gliederung des WBalMo Elbe und des SWIM kompatibel sein. Sie ergibt sich für das WBalMo Elbe aus der Zuordnung von Bilanzprofilen zu Simulationsteilgebieten, um das Wasserdargebot an diesen Gewässerquerschnitten ausreichend genau zu erfassen. Für die Bestimmung des Verlaufs dieser Einzugsgebietsgrenzen wurden die digitalen Daten zur Einzuggebietsstruktur im deutschen Elbegebiet übernommen, wie sie für SWIM eingesetzt werden. Da SWIM überwiegend eine detailliertere Einzugsgebietsstruktur als WBalMo verwendet, wurde in einem weiteren Arbeitsschritt die Zuordnung dieser Teileinzugsgebiete zu Simulationsteilgebieten vorgenommen. In Einzelfällen, insbesondere bei Einzugsgebieten von Talsperren im Muldegebiet, wurde eine weitere Unterteilung der SWIM-Daten vorgenommen. Die mittels Are View entstandenen GIS-Daten können dann unmittelbar für das Preprocessing des SWIM genutzt werden.
Bundesanstalt ftir Da in Teilen des Elbegebietes die Abflussbildung durch signifikante Grundwasserabsenkungen gestört ist, waren Lage und Grenzen der Absenkungsgebiete ebenfalls digital aufzubereiten und im SWIM zu berücksichtigen. Eine weitere Verknüpfung von WBalMo Elbe und S WIM ergibt sich durch den Einfluss der Niederschlags-/Verdunstungsbilanz auf den Speicherinhalt von Talsperren bzw. Speichern sowie auf die Grundwasserstände in Niedermoorgebieten. Da in beiden Fällen die Wasserbilanz zusätzlich von der Wasserbewirtschaftung abhängt, werden die diesbezüglichen Berechnungen im Bewirtschaftungsmodell vorgenommen. Für die Niedermoorgebiete sind speziell für GLOWA-Elbe angepasste WABI-Modelle (DIETRICH et al. 1999) aufgebaut worden, die im WBalMo Elbe direkt oder als Modul integriert sind. Auf den Flächen der Talsperren bzw. Speichern sowie der Niedermoorgebiete darf deshalb im SWIM keine Abflussbildung berechnet werden, sondern die entsprechenden meteorologischen Größen werden durch das SWIM ausgegeben und im WBalMo Elbe verwendet. Dafür wurden Lage und Grenzen dieser Flächen digital erfasst. Im tschechischen Teil des Elbeeinzugsgebietes befinden sich bedeutende Wassernutzungen, z. B. die Talsperren der Moldaukaskade. Deshalb ist es besonders wichtig, auch hier WBalMo-Module in ausreichender Qualität aufzubauen, um die Zuflussverhältnisse in das deutsche Einzugsgebiet widerzuspiegeln. Mit diesem Ziel wurden frühzeitig Kontakte zu den tschechischen Wasserbehörden geknüpft und eine Kooperationsvereinbarung zwischen der damaligen WASY GmbH, als Vertreterin von GLOWA-Elbe, und den Wasserbehörden für die Elbe (Podovy Labe) abgeschlossen. Die Zusammenarbeit führte zur Erstellung von fünf Modulen: Upper Vltava, Lower Vltava, Berounka, Upper and Middle Labe und Ohfe/Lower Labe. Im Ergebnis liegen die Module in einem Detailgrad vor, der sich mit denen der Module im deutschen Einzugsgebiet vergleichen lässt (siehe hierzu den Beitrag von KOCH et. al. in diesem Heft, S. 53ff). Neben den sozioökonomischen Wasserbedarfsfunktionen sind auch aus wasserwirtschaftlicher Sicht häufig komplexe Regeln für Wassernutzungen und -bewirtschaftung zu modellieren. Dafür bietet die Simulationssoftware WBalMo sogenannte DYN-Elemente an, in denen beliebige Algorithmen für Variable der Modellobjekte enthalten sein können. Darüber hinaus werden diese DYN-Elemente auch zur Berechnung von Indikatoren und zur online und offline Kopplung der WBalMo-Module benutzt. Tabelle 1 gibt einen Überblick über den Aufbau und die Struktur des WBalMo GLOWA- Elbe und die erfassten Wassernutzungen. Die Einrückung in der Spalte WBalMo-Modul dokumentiert die Hierarchie des Aufrufs der Teilmodelle. 3 Ergebnisse 3.1 Beschreibung der Indikatoren Von der Bewertung von Wasserbewirtschaftungsstrategien wird in der Regel erwartet, dass sie auch für Wassermangelverhältnisse belastbare Planungsgrundlagen zur Verfügung stellt. Diese Aufgabe lösen stochastische Langfristbewirtschaftungsmodelle, indem hohe Sicherheiten der Wasserversorgung in Wassermangelmonaten im Mittelpunkt der Wirkungsanalyse stehen. Daher werden Indikatoren wie Durchflüsse oder Bedarfsdeckung für den Monat August und für große Überschreitungswahrscheinlichkeiten berechnet, wie z. B. 80 oder 99 %. Ihnen lassen sich Wiederkehrintervalle der Unterschreitung der berechneten Werte zuordnen, wie sie in der Hydrologie gebräuchlich sind (80 % entspricht einem Wiederkehrintervall der Unterschreitung T von 5 Jahren, 99 % entspricht T=100 a).
Uto AI Bundesanstalt für Tabelle 1 Anzahl der Modellobjekte in den Modulen des WBalMo Elbe Abkürzungen: BP Bilanzprofile; HG Hydrologische Teilgebiete; TG Teilgebiete (einschließlich hydrologischer Teilgebiete) SB Speicherbecken; DYN DYN-Elemente; N Nutzer; FG Modul mit integrierten Feuchtgebieten Häufig weisen die Wassernutzungen über den gesamten Planungshorizont von 50 Jahren veränderliche Werte auf oder dies ist der Fall, wenn der Bedarfswert durch eine ökonomische Funktion berechnet wird. Um diese Variabilität zu berücksichtigen, wird die Entnahme (als absoluter Werte der Bedarfsdeckung) mit dem jeweiligen aktuellen Bedarf normiert. Damit wird als Indikator die relative Bedarfsdeckung verwendet. Die relative Bedarfsdeckung wird für verschiedene Grade der Wasserknappheit (moderat: Wiederkehrintervall T=5 a, ausgeprägt: Wiederkehrintervall T=20 a und extrem: Wiederkehrintervall T=100 a) analysiert.
3.2 Auswahl der Szenarien Für die hier beschriebenen Untersuchungen wurden Szenarioanalysen durchgeführt, in denen der Entwicklungsrahmen oder die Handlungsalternativen variiert wurden. Der Entwicklungsrahmen bezieht dabei den Klimawandel, die regionale Wirtschafts- und Bevölkerungsentwicklung und die Umweltorientierung sektoraler Politiken ein. Eine Übersicht über die hier verwendeten Szenarien gibt Tabelle 2. Das Kürzel wird im Folgenden verwendet werden. Die Abkürzung dient zur Orientierung in den Abbildungen. TabeUe 2 Anzahl über die verwendeten Szenarien Für weitere Szenarien, auch mit Handlungsalternativen, muss auf spätere Veröffentlichungen zu GLOWA-Elbe verwiesen werden. Details zur Handlungsalternative Elbewasserüberleitung" in das Spreegebiet können im Beitrag von GRUNEWALD in diesem Heft ( S.63ff.) nachgelesen werden. 3.3 Abflusslängschnitt der Elbe Zunächst soll auf die Plausibilität der mit dem WBalMo GLO WA-Elbe berechneten Ergebnisse eingegangen werden. Abbildung 2 zeigt die Abflusslängsschnitte für die mittleren Jahresabflüsse des Zeithorizonts 2005 aus dem WBalMo GLO WA Elbe (Szenario MBasis AI 0 STAR T2) im Vergleich zu denen langjähriger Abflussreihen des Zeitraums 1931/1936-2000 (IKSE 2005). Darüber hinaus sind die Ergebnisse des WBalMo GLOWA-Elbe für den Zeithorizont 2010 gezeigt.
Bundesanstalt fiir Aus dem Vergleich geht hervor, dass unter den Bedingungen der Klimaentwicklung im Zeithorizont 2005 mittlere Jahresabflüsse auftreten, die etwa 10 % oberhalb des langjährigen Mittels der beobachteten Abflüsse liegen. Die Abflüsse für den Zeithorizont 2010 zeigen, wie schnell und deutlich sich die Auswirkungen des angenommenen Klimawandels zeigen. Die mittleren Jahresabflüsse weisen fiir 2010 eine negative Abweichung von etwa 15 % gegenüber dem langjährigen Mittel der beobachteten Abflüsse auf. Diese Abweichung ergibt sich vorrangig daraus, dass bei der Klimasimulation der beobachteten Häufung von hohen Temperaturen bzw. Niedrigwasserabflüssen im letzten Jahrzehnt Rechung getragen wird. Dieser Trend kommt in den Mittelwerten der langjährigen Abflussreihen nicht zum Ausdruck. Zur Einordnung hinsichtlich potenzieller Nutzungskonflikte sind in Abb. 2 zusätzlich die für die Schifffahrt bedeutenden Mindestabflüsse (sogenannte G1Q89) dargestellt. Im Folgenden werden die Ergebnisse der drei Szenarien MBasis AI 0 STAR T2, MBasis AI 0 STAR T2t und MBasis AI 0 STAR T2f für die mittleren Abflüsse im Elbelängsschnitt bezüglich der beiden Planungshorizonte 2010 und 2050 vorgestellt. Für die Darstellung der Abflussentwicklung wurde als zeitlicher Bezug der August als Beispiel für einen abflussarmen Monat ausgewählt. Die mittleren Augustabflüsse im Elbelängsschnitt wurden wiederum im Vergleich zu den Mindestabflüssen für die Schifffahrt (G1Q89) dargestellt. Abb. 3: Mittlere Augustabflüsse im Elbelängsschnitt (Planungshorizont 2010) für die Szenarien MBasis Al STAR T2 (01), MBasis Al STAR T2f(0\f) und MBasis AI 0 STAR T2t (ölt) im Vergleich zu den Mindestabflüssen für die Schifffahrt (G1Q89) Abb. 4: Mittlere Augustabflüsse im Elbelängsschnitt (Planungshorizont 2050) für die Szenarien MBasis AI 0 STAR T2(0\), MBasis AI 0 STAR T2f(0lf) und MBasis Al STAR T2t (01t) im Vergleich zu den Mindestabflüssen für die Schifffahrt (G1Q89)
Bundesanstalt für Betrachtet man die Entwicklung der mittleren Augustabflüsse, fällt auf, dass unter den Bedingungen der Szenarien MBasis AI 0 STAR T2 und MBasis AI 0 STAR T2t der Abflussrückgang vom Planungshorizont 2010 zum Planungshorizont 2050 gravierend ist, vor allem unterhalb Aken, unter den Bedingungen des Szenarios MBasis AI 0 STAR T2f der Abflussrückgang hingegen als geringfügig bezeichnet werden kann. Die Auswertung der Abflüsse bei Mittelwasserverhältnissen für August zeigt demzufolge, dass von 2010 bis 2050 für die Elbe auf deutschem Gebiet - bei dem Szenario MBasis AI 0 STAR T2 mit einem mittleren Abflussrückgang um ca. 60 m 3 /s (entspricht ca. 20 %), - bei dem Szenario MBasis AI 0 STAR T2f mit einem mittleren Abflussrückgang um ca. 10 m 3 /s (entspricht ca. 4 %) und - bei dem Szenario MBasis AI 0 STAR T2t mit einem mittleren Abflussrückgang um ca. 85 m 3 /s (entspricht ca. 30 %) gerechnet werden muss. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass für den Zeithorizont 2010 unter den Bedingungen aller drei untersuchten Szenarien der Wasserbedarf für die Schifffahrt im August bei Mittelwasserverhältnissen gedeckt werden kann. Bis 2050 verringern sich die mittleren Augustabflüsse unter den Annahmen der Szenarien MBasis AI 0 STAR T2 und MBasis AI 0 STAR T2t allerdings so stark, dass der Wasserbedarf für die Schifffahrt, vor allem unterhalb Aken, nicht mehr voll gedeckt werden kann. Neben den Mittelwasserverhältnissen ist die Entwicklung der Abflüsse des Elbelängsschnitts bei ausgeprägten (Wiederkehrintervall T = 20 a) und extremen (Wiederkehrin tervall T = 100 a) Niedrigwasserverhältnissen interessant. In den beiden folgenden Abbildungen sind für August den mittleren Abflüssen die Niedrigwasserabflüsse gegenübergestellt und zwar für 2010 und 2050. Die Ergebnisse beziehen sich dabei nur auf das Szenario MBasis AI 0 STAR T2.
Bundesanstalt für Die Auswirkungen auf die Elbeabflüsse sind bedeutend. So muss bei ausgeprägten wie auch bei extremen Niedrigwasserverhältnissen im August im Mittel mit einem Abflussrückgang bis 2050 um 20 % gerechnet werden. Dabei zeigt sich, dass die ausgeprägten Niedrigwasserabflüsse (T=20 a) für 2010 in der Größenordnung der mittleren Augustabflüsse für 2050 liegen. Neben den Auswirkungen des angesetzten Klimawandels auf die Entwicklung der Abflüsse im Zeitraum 2010 bis 2050, wurden weitere Ergebnisse, wie die Auswirkungen auf die Bedarfsdeckung des Wasserbedarfs von Einzelnutzern, analysiert. Auf ihre Darstellung wird hier verzichtet. Zusammenfassung Mit dem WBalMo GLO WA-Elbe können Probleme der langfristigen wasserwirtschaftlichen Planung unter Berücksichtigung des globalen Wandels analysiert werden. Dies kann sowohl für das Gesamtgebiet der Elbe aber auch für Teilgebiete erfolgen. Die Datengrundlage beruht überwiegend auf den B-Berichten zur Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie. Die hier auszugsweise dargestellten Ergebnisse für den Elbelängsschnitt gehen von einer Erwärmung um 2 K bis 2050 aus. Der damit verbundene Abflussrückgang lässt sich dadurch charakterisieren, dass die heutigen Niedrigwasserabflüsse des Wiederkehrintervalls T=20 a dann etwa den mittleren Abflüssen um 2050 entsprechen. Literatur HATTERMANN F.F., M. WATTENBACH, V. KRYSANOVA UND F. WECHSUNG: Runoff simulations on the macroscale with the ecohydrological model SWIM in the Elbe catchment - Validation and uncertainty analysis. Hydrological Processes 19, 693-714, 2005
Bundesanstalt für ' Kontakt: Dr. Michael Kaltofen DHI-WASY GmbH, Niederlassung Dresden Goetheallee 21, 01309 Dresden Tel.: 0351/314 383 11 Fax: 0351/316 16 12 E-Mail: M.Kaltofen@dhi-wasy.de Martina Hentschel DHI-WASY GmbH, Niederlassung Dresden Goetheallee 21, 01309 Dresden Tel.: 0351 314 383 12 Fax: 0351/316 16 12 E-Mail: M.Hentschel@dhi-wasy.de Michael Redetzky DHI-WASY GmbH, Niederlassung Dresden Goetheallee 21, 01309 Dresden Tel.: 0351 314 383 19 Fax: 0351/316 16 12 E-Mail: M.Redetzky@dhi-wasy.de Prof. Dr. Stefan Kaden DHI-WASY GmbH Waltersdorfer Str. 105,12526 Berlin Tel.: 030/67 99 98-0 Fax: 030/ 67 99 98-99 E-Mail: S.Kaden@dhi-wasy.de Dr. Hagen Koch Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Hydrologie und Wasserwirtschaft, Postfach 101344, 03013 Cottbus Tel.: 0355/69 22 42 Fax: 0355/ 69 42 35 E-Mail: hagen.koch@tu-cottbus.de Kai Mazur Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Hydrologie und Wasserwirtschaft Postfach 101344, 03013 Cottbus Tel.: 0355/69 45 76 Fax: 0355/ 69 42 35 E-Mail: Kai.Mazur@tu-cottbus.de Dr. Ottfried Dietrich Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v., Institut für Landschaftswasserhaushalt Eberswalder Str. 84, 15374 Müncheberg Tel.: 033432/ 82 305 Fax: 033432/22 82 301 E-Mail: odietrich@zalf.de Susanne Schweigert Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.v., Institut für Landschaftswasserhaushalt Eberswalder Str. 84, 15374 Müncheberg Tel.: 033432/82 306 Fax: 033432/22 82 301 E-Mail: schweigert@zalf.de